Gene steuern mittels RNA

Die messenger-RNA (mRNA) ist Schulbuchwissen, mRNA-Corona-Impfungen sind Allgemeingut. Die Verleihung des diesjährigen Medizin-Nobelpreises an Pioniere der messenger-RNA-Forschung hat den Stellenwert dieses Forschungszweigs eindrucksvoll bestätigt (siehe DAZ 2023, Nr. 42, S. 46). Und doch ist RNA-Medizin weit mehr als der mRNA-Impfstoff und viel älter als die Pandemie. Ursprünge können auf das Jahr 1978 zurückgeführt werden, als Mary Stephen­son und Paul Zamecnik im Labor des Massachusetts General Hospital in Boston das erste Antisense-Oligonukleotid (kurz ASO) herstellten, um damit die Replikation des Rous-Sarkom-Virus in Gewebekultur zu hemmen. Durch sequenzspezifische Bindung des ASO an die virale Boten-RNA gelang es, die Translation des DNA-Codes zu Proteinen zu unterdrücken [1]. Die Arbeit war eine der Keimzellen dessen, was Forschende heute als einen Paradigmenwechsel in der Medizin bezeichnen.

Während die doppelsträngige DNA den dauerhaften Speicher unserer Erbinformationen darstellt, haben Ribonukleinsäuren verschiedenste zelluläre Boten- und Steuerfunktionen. Man unterscheidet codierende und nicht-codierende RNA. In die erste Gruppe gehört die messenger-RNA, gebildet durch Ablesen des geöffneten DNA-Stranges (Transkription). Der zelluläre Bote überbringt die codierte Geninfor­mation zu den Proteinfabriken (Ribosomen) im Cytosol, wo das entsprechende Protein synthetisiert wird (Translation). Neben der ribosomalen RNA (rRNA), die am Aufbau des Ribosoms beteiligt ist, und der transfer-RNA (tRNA), die die Aminosäuren anliefert, wurden in den letzten Jahren mehr als ein Dutzend RNA-Klassen entdeckt, und ständig kommen neue hinzu. Sie interagieren mit einer Vielzahl an Biomolekülen – mit DNA, RNA, Proteinen –, aber auch mit Metaboliten. Sie bilden regulatorische Komplexe, die lebenswichtige Prozesse in den Zellen steuern. Fehler bei dieser Steuerung können Krankheiten verursachen. Im Jahr 2002 erhob das Wissenschaftsmagazin Science die RNA zum Molekül des Jahres [2, 3].

Genregulation als gemeinsamer Ansatz

Die RNA-Forschung konzentriert sich aktuell auf Infektions-, Krebs-, Herz-Kreislauf- und neurologische Erkrankungen. Aber Grenzen gebe es kaum, meint Dr. Jörg Vogel, Professor für Molekulare Infektionsbiologie. „Was die Therapierichtung so interessant macht, ist die begründete Hoffnung, dass bisher unheilbare Krankheiten endlich behandelt werden können. Vor allem, wo Defekte auf einzelne Gene zurückgehen, könnte die RNA-Medizin endlich den Durchbruch bringen“, ist der Gründungsdirektor des Helmholtz-Instituts für RNA-basierte Infektionsforschung in Würzburg überzeugt [4]. Ein wesentlicher Unterschied zu herkömm­lichen Arzneimitteln: Wo bislang durch aufwendiges Screening nach chemischen Leitsubstanzen gesucht wurde, könnten RNA- und DNA-Medikamente gezielt entwickelt werden. „Das liegt daran, dass der Code, der sowohl die Wahrscheinlichkeit als auch die Spezifität der Oligonukleotid-Bindung bestimmt – die komplementäre Basenpaarung – gut verstanden ist. Sobald man die Sequenz der Ziel-RNA kennt, kann man ein Molekül, welches an dieses Ziel bindet, praktisch am Bildschirm entwerfen.“

Es sind vor allem nicht-codierende RNA-Moleküle wie micro RNA (miRNA), small interfering RNA (siRNA) und die Antisense-Oligonukleotide (ASO), die eine wichtige Rolle in der Genexpression spielen [2]. Auf Basis des zunehmenden Verständnisses dieser Feinregulation lassen sich die kleinen Regulatormoleküle als Arzneimittel nutzen – in chemisch synthetisierter, modifizierter und stabilisierter Form.

Dennoch brauchte es viele Jahre, um dieses Konzept aus dem Labor in eine klinische Anwendung zu bringen. „Wir haben grundsätzlich zwei Probleme beim medizinischen Einsatz von Nukleinsäuren: die Formulierung und die Immunantwort“, erklärt Dr. Mark Helm, Professor für pharmazeutische Chemie an der Universität Mainz, der selbst an der „Verpackung“ von RNA forscht. „Nukleinsäuren sind mehrfach negativ geladen und daher schwer durch die Membranen zu schleusen. Zudem sind sie sehr zerbrechlich und werden schnell abgebaut“ [5]. Die geeignete Verpackung der sensiblen Moleküle in Lipidnanopartikel, Lipoplexe und Polyplexe ist ein eigenes Forschungsterrain und maßgeblich nicht nur für die Wirksamkeit der Produkte, sondern auch für ihre Immunogenität.

ASO neutralisieren toxische Codes

Seit 2017 wurden in der EU acht RNA-Arzneimittel aus den Klassen der Antisense-Oligonukleotide (ASO) und der small interfering RNA (siRNA) zugelassen (s. Tab 1). Antisense-Oligonukleotide sind einzelsträngige, stark modifizierte und stabilisierte Nukleinsäure-Analoga, die nach dem Prinzip der komplementären Basenpaarung an zelluläre RNAs binden und deren Funktion beeinflussen, z. B. die Translation blockieren. An Antisense-Oligonukleotiden gegen seltene Erkrankungen forscht am Leiden University Medical Center Prof. Annemieke Aartsma-Rus. ASO kommen heute primär bei seltenen Erkrankungen mit einzelnen Genmutationen zum Einsatz, erklärt sie. „ASO können die körpereigene mRNA primär auf zwei Wegen beeinflussen: Indem sie fehlerhafte Codes unterdrücken, sodass ein toxisches oder fehlerhaftes Protein nicht zur Expression kommt. Oder indem sie unterdrückte Genabschnitte wieder lesbar machen, sodass ein fehlendes oder dysfunktionales Protein wieder gebildet wird“ [6].

Weiterhin kann Antisense-RNA an der epigenetischen Regulation beteiligt sein, indem sie auf die Chromatinstruktur und die DNA-Methylierung einwirkt. Auch als Werkzeug in der Genforschung wird Antisense-RNA eingesetzt, etwa um die Funktion bestimmter Gene zu analysieren und mögliche therapeutische Ziele zu identifizieren [2].

Ein prominenter Vertreter der Antisense-Oligonukleotide ist Nusinersen (Spinraza^®), das 2017 in der EU als erstes Arzneimittel zur Behandlung der seltenen Erkrankung spinale Muskelatrophie zugelassen wurde. Es verdrängt fehlerhafte Spleißfaktoren an einer Prä-mRNA, aus der die mRNA für das Survival Motor Neuron 2 (SMN2) entsteht; diese kann wieder gebildet und in ein funktionelles SMN-Protein voller Länge translatiert werden. Nusinersen kann den betroffenen Kindern ein fast normales Aufwachsen ermöglichen und gilt als das klinisch bisher erfolgreichste ASO, allerdings auch als eine der kostspieligsten Therapien überhaupt [2]. Weitere in der EU zugelassene Antisense-Oligonukleotide sind Inotersen (Tegsedi^®) zur Behandlung von Polyneuropathie bei hereditärer Transthyretin-vermittelter Amyloidose und Volanesorsen (Waylivra^®) zur Behandlung des familiären Chylomikronämie-Syndroms.

In den USA wurden weitere Präparate zugelassen, wie Eteplirsen (Exondys) zur Behandlung der Duchenne-Muskelatrophie [5]. Zahlreiche Antisense-Oligonukleotide stehen in der klinischen Entwicklung: solche gegen neurologische Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson, gegen kardiovaskuläre Erkrankungen inklusive Herzinsuffizienz und therapieresistentem Bluthochdruck, gegen Diabetes, Hyperlipidämie und altersabhängige Makuladegeneration. Allein die Pipeline der auf ASO spezialisierte Ionispharma (Carlsbad, Kalifornien) umfasst 40 Kandidaten.­

Vom Schweigen der Gene

RNA-Interferenz heißt ein anderer physiologischer Weg zur gezielten Abschaltung der Genexpression. Hierbei verbinden sich doppelsträngige „small interfering RNA“ (siRNA) mit einem Proteinkomplex, der komplementäre Ziel-RNAs enzymatisch spaltet. Zellen halten damit ihr Genom stabil und schützen sich außerdem gegen RNA-Viren. Für die Entdeckung der RNA-Interferenz in den 1990er-Jahren erlangten die US-Amerikaner Craig Mello und Andrew Fire 2006 den Medizin-­Nobelpreis. Nach zwei Jahrzehnten Entwicklungszeit kam mit Patisiran (Onpattro^®, 2018) der erste Vertreter dieser Wirkstoffklasse auf den Markt. Indiziert ist es, wie auch das stabilere Folgepräparat Vutrisiran (Amvuttra^®, 2022), und Inotersen, bei Transthyretin-vermittelter Amyloidose. Gegen die Erbkrankheit, die nur 50.000 Menschen weltweit betrifft, gibt es heute also drei RNA-basierte Arzneimittel. Das erste RNA-Arzneimittel, das eine weit verbreitete, metabolische Indikation adressiert, war 2022 Inclisiran (Leqvio^®). Das synthetische siRNA schaltet das Gen für die Bildung der PCSK9 ab (Proproteinkonvertase Subtilisin/Kexin Typ 9) und erzielt laut Phase-III-Studien eine LDL-Cholesterol-Senkung um 50 bis 55%. Angezeigt ist es bei primärer Hypercholesterinämie oder gemischter Dyslipidämie. Am Gene-­Silencing beteiligt ist auch die Klasse der winzigen microRNAs (auch miR genannt), deren Wirkmechanismus Parallelen zu den siRNA aufweist. MicroRNA binden an Ziel-RNA und zerschneiden sie, oder hemmen die Translation, je nach Grad der Komplementarität der Basen. Im Genom wurden mehr als 1000 microRNAs entdeckt, viele davon sind in verschiedenen Krankheiten dereguliert. Geforscht wird an microRNAs zur Behandlung verschiedener Krebsarten, Erkrankungen des Bewegungsapparats und systemisch-entzündlicher Krankheiten (s. Tab. 1). Eine ausführliche Darstellung der RNA-Interferenz und der auf ihr basierenden Therapien findet sich in der DAZ 2023, Nr. 41, S. 70.

Die Universalität der Basenpaarung eröffnet Ansatzmöglichkeiten der RNA-Technologie z. B. auch bei Bakterien. Neben dem Kernäquivalent weisen Bakterienzellen auch Ribo­nukleinsäuren und zahlreiche Ribosomen auf, die für die Translation beziehungsweise zur Synthese von Proteinen notwendig sind. Die Idee hinter sogenannten Antisense-­Antibiotika ist, RNA im Cytoplasma von Bakterien zu manipulieren, die Informationen zur Synthese essenzieller bak­terieller Proteine überträgt. Auf diesem Feld forscht unter anderem Professor Jörg Vogel vom Helmholtz-Institut für RNA-basierte Infektionsforschung in Würzburg. „Die Erkenntnisse aus der Erforschung der RNA als Regulator bei Infektionsprozessen sollen helfen, Krankheitserreger zielgenau zu bekämpfen oder das Mikrobiom mit Präzision zu manipulieren“, erklärt der Molekularbiologe. Am Anfang steht, wie auch bei Zielzellen im menschlichen Körper, die Analyse von Zielsequenzen im bakteriellen Genom, für die eine Antisense-RNA konzipiert werden muss, welche die entsprechenden Genabschnitte stilllegt – sodass z. B. Zellwandproteine nicht mehr synthetisiert werden und das Bakterium sich nicht vermehren kann. Eine große Herausforderung sei auch bei programmierbaren Antibiotika, einen Weg zu finden, sie durch die komplexe Bakterienzellwand ins Cytoplasma zu schleusen. Gängige Methoden bestehen darin, die programmierte Antisense-RNA an einen Peptid- oder Kohlenhydrat-Liganden zu binden, der von Rezeptoren auf der Zellwand des Bakteriums erkannt wird, woraufhin der RNA-Carrier-Molekülkomplex Einlass ins Zellinnere findet [8].

„Mikrobiomschonende“ Antibiose

Die Einsatzmöglichkeiten sind im Grunde vielfältig. „Unsere Projekte konzentrieren sich auf zahlreiche Bakterienarten, von Salmonella bis hin zu anaeroben Mikroben wie dem mit Darmkrebs in Verbindung gebrachtem Fusobacterium“, sagt Prof. Vogel. „Wir können Antisense-Antibiotika im besten Fall so gestalten, dass sie gezielt eine von den tausenden Bakterienarten, die wir im Darm haben, unterdrücken oder komplett beseitigen.“ Solche Therapeutika wären von hohem medizinischem Nutzen, würden sie doch eine „mikrobiomschonende“ Antibiose ermöglichen, also ohne die Dysbiose, welche konventionelle Antibiotika in der Regel hervorrufen.

Trotzdem „köchele“ die Forschung an Antisense-Antibiotika schon seit 25 Jahren vor sich hin. Mit den herkömmlichen Substanzen teilen Antisense-Antibiotika nämlich auch das Nischenproblem: Die Indikationen versprechen für die Pharmaunternehmen keine Umsätze, für die es lohnt, in Forschung zu investieren. Alternative Indikationen für Präzisions-Antibiotika wären unter anderem die Unterstützung der Wirksamkeit von Arzneimitteln, die mikrobiell abgebaut werden, oder der nebenwirkungsfreie Abbau schweißzersetzender Bakterien. |